FR2651036A1 - SENSOR DEVICE DELIVERING PRESSURE AND TEMPERATURE INDICATIONS - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif ayant un capteur qui délivre un signal de sortie représentant à la fois la pression et la température régnant à l'emplacement du capteur. Une sonde 4 comprenant un élément capteur optique 3 est plongée dans un écoulement de gaz. Un rayonnement optique à large bande, délivré par une source 1, est transmis par le capteur 3 à trois photodiodes 11 à 13 répondant à des longueurs d'ondes différentes. Les signaux des photodiodes sont utilisés comme adresses dans une mémoire 200 contenant des valeurs de température et de pression en fonction des intensités du rayonnement aux différentes longueurs d'ondes. Applications à l'aéronautique et aux moteurs à turbine.The invention relates to a device having a sensor which outputs an output signal representing both the pressure and the temperature prevailing at the location of the sensor. A probe 4 comprising an optical sensor element 3 is immersed in a flow of gas. Broadband optical radiation, delivered by a source 1, is transmitted by the sensor 3 to three photodiodes 11 to 13 responding to different wavelengths. The signals from the photodiodes are used as addresses in a memory 200 containing temperature and pressure values as a function of the intensities of the radiation at the different wavelengths. Applications to aeronautics and turbine engines.
Description
- 1-.- 1-.
DISPOSITIF CAPTEUR DELIVRANT DES INDICATIONS DE PRESSION ET SENSOR DEVICE DELIVERING PRESSURE INDICATIONS AND
DE TEMPERATURETEMPERATURE
La présente invention concerne un- dispositif capteur délivrant des The present invention relates to a sensor device delivering
indications de pression et de température. pressure and temperature indications.
Dans le domaine des commandes électroniques des moteurs à turbine, il est courant de mesurer certains paramètres de fonctionnement du moteur tels qu'une vitesse de rotation de l'arbre, une température et une pression de gaz, afin de déterminer les conditions de fonctionnement en vue de commander l'alimentation en carburant en réponse à une demande de puissance. Quand certains paramètres sont nécessaires mais ne sont pas mesurables directement pour entrer dans le modèle mathématique des gaz, ils peuvent être obtenus par induction à partir In the field of electronic controls of turbine engines, it is common practice to measure certain engine operating parameters such as shaft rotation speed, temperature and gas pressure, in order to determine the operating conditions of the engine. to control the fuel supply in response to a demand for power. When some parameters are needed but are not measurable directly to enter the mathematical model of gases, they can be obtained by induction from
d'autres paramètres.other parameters.
Les mesures respectives de pression et de température des gaz sont faites au moyen de capteurs différents, par exemple un tube de Pitôt et un thermocouple. En raison des conditions d'écoulement des gaz dans les moteurs à réaction, la pression et la température en deux points proches peuvent être très différentes. L'utilité des lectures de pression et de température est donc réduite puisque ces lectures se rapportent à des valeurs relevées à des endroits différents dans le flux gazeux. L'emploi de deux capteurs peut aussi avoir pour inconvénient le fait que, si on les place tout près l'un de l'autre pour tenter d'obtenir des lectures se rapportant au même endroit, l'un des capteurs peut altérer la valeur à mesurer par l'autre. Par exemple, le capteur de pression peut fonctionner comme un puits de chaleur et affecter la température à mesurer par le capteur de température; de même, le capteur de température peut perturber l'écoulement des gaz sur le capteur de pression et donc affecter la mesure de pression. L'emploi de deux capteurs séparés et des câbles qui leur sont associés entraîne aussi une augmentation de l'encombrement et du poids du dispositif. Dans les applications -2- aéronautiques, il peut être avantageux de ménager le moins possible d'ouvertures à travers l'enveloppe du moteur ou de l';';on. C'est pourquoi la nécessité de monter deux capteurs séparés peut c -r un The respective pressure and temperature measurements of the gases are made by means of different sensors, for example a Pitot tube and a thermocouple. Because of the gas flow conditions in jet engines, the pressure and temperature at two nearby points can be very different. The usefulness of the pressure and temperature readings is therefore reduced since these readings relate to values recorded at different locations in the gas flow. The use of two sensors may also have the disadvantage that, if placed close together to try to obtain readings relating to the same location, one of the sensors may alter the value. to measure by the other. For example, the pressure sensor may function as a heat sink and affect the temperature to be measured by the temperature sensor; likewise, the temperature sensor can disturb the flow of gases on the pressure sensor and thus affect the pressure measurement. The use of two separate sensors and cables associated with them also leads to an increase in the size and weight of the device. In aeronautical applications, it may be advantageous to minimize the number of openings through the engine or engine enclosure. This is why the need to mount two separate sensors can c -r a
inconvénient supplémentaire.additional disadvantage.
Un but de la présente invention cornsiste à créer un dispositif capteur An object of the present invention is to create a sensor device
permettant d'eviter les inconvénients mentionnés ci-dessus. to avoid the disadvantages mentioned above.
Dans ce but, l'invention concerne un dispositif capteur du genre indiqué plus haut, caractérisé en ce qu'il comporte un élément capteur sensible à la fois à la pression et à la température à un même endroit, cet élément capteur délivrant un signal de sortie qui varie à la fois en fonction de variations de ladite pression et de variations de ladite température, et une unité de traitement agencée pour délivrer des indications rets _ctives de ladite pression et de ladite température à partir dudit s:b;al de sortie. Dans une forme de réalisation préférée, l'élément capteur est placé dans une sonde ayant une entrée et une sortie de façon que le fluide s'écoule à travers la sonde entre cette entree et cette sortie sur l'élément capteur. De préférence, l'élément capteur comporte un élément optique dont les propriétés varient en fonction de la pression et de la température. Ledit élément optique peut avoir des r: s de transmission optique qui varient en fonction des variations cdte pt on et de température. Le dispositif peut comporter une source de rayonnement optique à large bande, une fibre optique agencée pour transmettre ledit rayonnement à l'élément optique, et un détecteur de rayonnement optique agencé pour recevoir ledit rayonnement à partir de l'élément optique et mesurer l'intensité de ce rayonnement à différentes longueurs 30. d'ondes. De préférence, le dispositif comporte plusieurs détecteurs de rayonnement optique qui sont -sensibles à des longueurs d'ondes différentes. Le dispositif peut comporter une mémoire conten;-.t des informations telles que les valeurs de pression et de température associées à différentes intensités du rayonnement à différentes For this purpose, the invention relates to a sensor device of the type indicated above, characterized in that it comprises a sensor element responsive to both the pressure and the temperature at the same place, this sensor element delivering a signal of an output which varies at a time as a function of variations of said pressure and of variations of said temperature, and a processing unit arranged to deliver positive indications of said pressure and of said temperature from said output s: b; al. In a preferred embodiment, the sensor element is placed in a probe having an inlet and an outlet so that fluid flows through the probe between this inlet and this outlet on the sensor element. Preferably, the sensor element comprises an optical element whose properties vary according to the pressure and the temperature. Said optical element may have optical transmission rs which vary as a function of temperature and temperature variations. The device may comprise a broadband optical radiation source, an optical fiber arranged to transmit said radiation to the optical element, and an optical radiation detector arranged to receive said radiation from the optical element and measure the intensity of this radiation at different wavelengths. Preferably, the device comprises a plurality of optical radiation detectors which are sensitive to different wavelengths. The device may comprise a memory containing information such as the pressure and temperature values associated with different intensities of the radiation at different levels.
longueurs d'ondes.wavelengths.
- 3- Dans une autre forme de réalisation, l'élément capteur peut être Un élément vibrant ayant une fréquence de résonance qui dépend de Ja In another embodiment, the sensor element may be a vibrating element having a resonance frequency which depends on
pression et un coefficient d'amortissement Q qui dépend de la température. pressure and a damping coefficient Q which depends on the temperature.
L'élément vibrant peut être excité optiquement, ou le dispositif peut comporter un élément piézo-électrique agencé.pour exciter l'élément vibrant. A titre d'exemple, on décrira ci-dessous une forme de réalisation d'un dispositif capteur selon l'invention, en références aux dessins annexés, dans lesquels: la figure I représente schématiquement le dispositif, et la figure 2 illustre différentes réponses du capteur, sous la forme de courbes représentant l'intensité d'un rayonnement optique en fonction de The vibrating element may be optically excited, or the device may comprise a piezoelectric element arranged to excite the vibrating element. By way of example, an embodiment of a sensor device according to the invention will be described below with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 schematically represents the device, and FIG. sensor, in the form of curves representing the intensity of optical radiation as a function of
sa longueur d'onde.its wavelength.
En référence à la figure 1, le dispositif capteur représenté comporte une :e I qui délivre un rayonnement optique à large bande, par i..-ermédiaire d'un câble optique 2, à un élément capteur 3. L'élément capteur 3 est placé dans-une extrémité d'une sonde métallique 4 plongée dans un flux gazeux s'écoulant dans un conduit 5 d'un moteur 6. La sonde 4 possède un trou d'entrée 7 et un trou de sortie 8 à proximité de l'élément capteur 3. Le trou d'entrée 7 a un diamètre relativement grand et il fait face à l'amont de l'écoulement. Le trou de sortie 8 a un diamère plus petit et il fait face à l'aval. La sonde 4 comporte une cloison 70 qui sépare son extrémité avant, comprenant les trous d'entrée et de sortie 7 et 8, de son extrémité arrière. L'élément capteur 3 est monté sur la cloison 70 de façon qu'une partie de l'élément soit soumise à la pression régnant dans l'extrémité avant de la sonde 4, et qu'une autre partie de l'élément soit soumise à la pression régnant de l'autre côté de la cloison, à l'extrémité arrière de la sonde. En fonctionnement, le gaz est ralenti presque jusqu'à l'arrêt à l'intérieur de l'extrémité avant de la sonde, de sorte que son énergie cinétique se transforme en une surpression par rapport à la pression ambiante. Le gaz s'en va par le trou de sortie 8, de sorte que l'environnement immédiat de l'élément -4- capteur 3 se renouvelle en synchronisme avec l'environnement de With reference to FIG. 1, the sensor device shown comprises a device which delivers a broadband optical radiation, by means of an optical cable 2, to a sensor element 3. The sensor element 3 is placed in one end of a metal probe 4 immersed in a gas flow flowing in a conduit 5 of a motor 6. The probe 4 has an inlet hole 7 and an outlet hole 8 near the sensor element 3. The inlet hole 7 has a relatively large diameter and faces upstream of the flow. The outlet hole 8 has a smaller diameter and faces the downstream. The probe 4 has a partition 70 which separates its front end, including the inlet and outlet holes 7 and 8, from its rear end. The sensor element 3 is mounted on the partition 70 so that a part of the element is subjected to the pressure prevailing in the front end of the probe 4, and another part of the element is subjected to the pressure prevailing on the other side of the partition, at the rear end of the probe. In operation, the gas is slowed down almost to a stop inside the forward end of the probe, so that its kinetic energy is transformed into an overpressure with respect to the ambient pressure. The gas goes through the outlet hole 8, so that the immediate environment of the sensor element 4-4 is renewed in synchronism with the environment of
l'extrémité de la sonde.the end of the probe.
L'élément de capteur 3 délivre un signal de sortie sur un câble optique 9 qui s'étend dans la sonde 4 et qui va à trois photodiodes parallèles 11, 12 et 13 dont chacune reçoit un échantillon du rayonnement retransmis par l'élément capteur. Les photodiodes 11 à 13 répondent à des longueurs d'onde différentes et leur trois signaux de sortie, représentatifs de trois longueurs d'ondes différentesAl, j2 et A3, sont délivrés à une unité de traitement 20. Sur la base de ces signaux, l'unité 20 délivre, sur des lignes 21 et 22, deux sorties représentant respectivement la température et la pression qui sont appliquées à l'élément capteur 3. Les lignes 21 et 22 conduisent à des affichages respectifs ou à d'autres dispositifs The sensor element 3 delivers an output signal on an optical cable 9 which extends in the probe 4 and which goes to three parallel photodiodes 11, 12 and 13, each of which receives a sample of the radiation retransmitted by the sensor element. The photodiodes 11 to 13 respond at different wavelengths and their three output signals, representative of three different wavelengthsAl, j2 and A3, are delivered to a processing unit 20. On the basis of these signals, the unit 20 delivers, on lines 21 and 22, two outputs respectively representing the temperature and the pressure which are applied to the sensor element 3. The lines 21 and 22 lead to respective displays or to other devices
utilisateurs 23 et 24.users 23 and 24.
L'élément capteur 3 peut se présenter sous plusieurs formes différentes. The sensor element 3 can be in several different forms.
Dans une première forme, l'élément 3 peut être en une matière optiquement transparente et être monté de manière à subir un effort sous l'effet de toute différence de pression entre les deux côtés de la cloison 70 de la sonde. Cet effort crée une modification des propriétés optiques de l'élément 3. Toute modification de température a aussi un effet sur les propriétés optiques de l'élément 3, mais d'une manière différente. Plus spécialement, toute modification de pression ou de température crée des modifications différentes dans les caractéristiques de transmission optique de l'élément 3. Si l'on se réfère à la figure 2, la caractéristique de transmission à la pression P1 et à la température T1 est représentée par la courbe PT l. Une augmentation de température jusqu'à T2 sans modification de pression, crée un déplacement de la courbe vers les longueurs d'ondes plus grandes, comme le montre la courbe P1T2. Une modification de pression modifie la courbe autrement qu'une modification de température, par exemple elle peut créer un déplacement de la courbe P1Tl jusqu'à la courbe P2T1. D'une manière générale, pourvu que la pression et la température modifient de manière différente la forme de la courbe, il est possible d'identifier la contribution de chacun de ces deux facteurs dans les changements de forme de la courbe. On le fait en surveillant les intensités du In a first form, the element 3 may be of an optically transparent material and be mounted so as to undergo a force under the effect of any pressure difference between the two sides of the partition 70 of the probe. This effort creates a change in the optical properties of the element 3. Any change in temperature also has an effect on the optical properties of the element 3, but in a different manner. More specifically, any change in pressure or temperature creates different changes in the optical transmission characteristics of the element 3. Referring to FIG. 2, the transmission characteristic at the pressure P1 and the temperature T1 is represented by the curve PT l. An increase in temperature to T2 without a change in pressure causes the curve to shift to longer wavelengths, as shown by the P1T2 curve. A pressure change modifies the curve other than a change in temperature, for example it can create a displacement of the curve P1T1 up to the curve P2T1. In general, provided that pressure and temperature change the shape of the curve differently, it is possible to identify the contribution of each of these two factors in the shape changes of the curve. It is done by monitoring the intensities of the
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rayonnement à différentes longueurs d'ondes, par exemple les trois longueurs d'ondes \i, â2 et;3 détectées par les trois photodiodes 11, 12 et 13. Plus le nombre de longueurs d'ondes détectées est grand, plus la détermination de la forme de la courbe sera précise. Des informations de détail sur les éléments capteurs qui sont sensibles à la température et à la pression sont données dans "Optical fibre based sensing using chromatic modulation " par G. R. Jones et al., Optics et Laser at different wavelengths, for example the three wavelengths λ 1, λ 2 and θ 3 detected by the three photodiodes 11, 12 and 13. The greater the number of wavelengths detected, the greater the the shape of the curve will be precise. Detailed information on sensing elements that are temperature and pressure sensitive is given in "Optical Fiber Based Sensing Using Chromatic Modulation" by G. R. Jones et al., Optics and Laser.
Technology, 19, 6, 297 (1987).Technology, 19, 6, 297 (1987).
Initialement, on charge des valeurs caractéristiques dans l'unité de traitement 20, en soumettant l'élément capteur à des cycles de température et de pression ayant des valeurs connues, de manière à créer dans une mémoire 200 une table ou une collection d'informations similaire, dans laquelle les différentes intensités du rayonnement à différentes longueurs d'ondes sont associées à différentes valeurs de température et de pression. Durant l'utilisation, les signaux de sortie des photodiodes 11 à 13 servent à adresser la mémoire dans l'unité de traitement, pour identifier des valeurs correspondantes de pression et de température qui sont délivrées respectivement sur les lignes de sortie 21 Initially, characteristic values are loaded into the processing unit 20, by subjecting the sensor element to temperature and pressure cycles having known values, so as to create in a memory 200 a table or a collection of information similar, in which the different intensities of the radiation at different wavelengths are associated with different values of temperature and pressure. During use, the output signals of the photodiodes 11 to 13 serve to address the memory in the processing unit, to identify corresponding values of pressure and temperature which are respectively delivered on the output lines 21
et 22.and 22.
De cette manière, il est possible de déterminer à la fois la pression et la température en utilisant le même élément capteur, ce qui permet de fournir une indication de la pression et de la température au même endroit, c'est-à-dire en un point commun. En evitant la nécessité de deux éléments capteur séparés, on peut réduire à un minimum la taille totale et le poids total du dispositif capteur, ce qui peut être avantageux In this way, it is possible to determine both the pressure and the temperature using the same sensor element, thereby providing an indication of pressure and temperature in the same place, i.e. a common point. By avoiding the need for two separate sensor elements, the total size and the total weight of the sensor device can be reduced to a minimum, which can be advantageous.
spécialement dans les applications aéronautiques. especially in aeronautical applications.
D'autres types d'éléments capteurs sont utilisables, notamment un élément vibrant dans lequel un effort appliqué à l'élément sous l'effet de la pression modifie la fréquence de résonance, tandis que le coefficient d'amortissement varie avec la température. Dans un dispositif capteur comportant un tel élément, la fréquence de résonance et le coefficient d'amortissement seraient mesurés pour fournir une indication de la pression et de la température. Ce genre d'élément vibrant peut être Other types of sensor elements are usable, in particular a vibrating element in which a force applied to the element under the effect of pressure changes the resonance frequency, while the damping coefficient varies with the temperature. In a sensor device having such an element, the resonant frequency and the damping coefficient would be measured to provide an indication of pressure and temperature. This kind of vibrating element can be
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- 6 - excité optiquemrnent ou d'une autre manière, par exemple par des moyens piézo-electriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus, mais elle s'étend à toute modification ou variante evidente pour un homme du métier. Un teldispositif peut aussi être - 6 - energized optiquemrnent or otherwise, for example by piezoelectric means. The present invention is not limited to the embodiments mentioned above, but it extends to any obvious modification or variation for a person skilled in the art. Such a device can also be
utilisé avec d'autres fluides que des gaz, par exemple avec des liquides. used with other fluids than gases, for example with liquids.
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